1.Linux字符设备驱动结构

1.1 cdev结构体

在Linux内核中,使用cdev结构体描述一个字符设备,cdev结构体定义如下,

struct cdev {
    struct kobject kobj;    /* 内嵌的kobject对象 */
    struct module *owner;   /* 所属模块 */
    struct file_operations *ops;    /* 文件操作结构体 */
    struct list_head list;
    dev_t dev;      /* 设备号 */
    unsigned int count;
}

cdev结构体的dev_t成员定义了设备号,为32位,其中12位为主设备号,20位为次设备号。使用下列宏可以从dev_t获得主设备号和次设备号;

MAJOR(dev_t dev)
MINOR(dev_t dev)

使用下列宏可以通过主设备号和次设备号生成dev_t:

MKDEV(int major, int minor)

Linux内核提供了一组函数以用于操作cdev结构体:

/* 初始化cdev成员,并建立cdev和file_operations之间的连接*/
void cdev_init(struct cdev *, struct file_operations *);
/* 动态申请一个cdev内存 */
struct cdev *cdev_alloc(void);
/*  */
void cdev_put(struct cdev *p);
/* 向系统添加一个cdev,完成字符设备的注册。对cdev_add()的调用通常发生在字符设备驱动模块加载函数中 */
int cdev_add(struct cdev *, dev_t, unsigned);
/* 对cdev_dev()函数的调用通常发生在字符设备驱动模块卸载函数中 */
void cdev_del(struct cdev *);

1.2 分配和释放设备号

在调用cdev_add()函数向系统注册字符设备之前,应首先调用register_chrdev_region()或alloc_chrdev_region()函数向系统申请设备号,相应地,在调用cdev_del()函数从系统注销字符设备之后,unregister_chrdev_region()会被调用以释放原先申请的设备号,函数原型为:

/* 已知起始设备的设备号的情况,from:要分配设备编号范围的初始值(次设备号常设为0),count为连续编号范围,name为编号相关联的设备名称 */
int register_chrdev_region(dev-t from, unsigned count, const char *name);
/* 设备号未知,向系统动态申请未被占用的设备号的情况,函数调用成功后,会把得到的设备号放入第一个参数dev中,其优点是自动避开设备号重复的冲突 */
int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count, const char *name);
/* 在调用cdev_del()函数从系统注销字符设备之后,unregister_chrdev_region()被调用以释放原先申请的设备号 */
void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count);

1.3 file_operations结构体

file_operations结构体中的成员函数是字符设备驱动程序设计的主体内容,这些函数实际会在应用程序进行Linux的open()、write()、read()、close()等系统调用时最终被内核调用。file_operations结构体的主要成员:

  • llseek()函数用来修改一个文件的当前读写位置,并将新位置返回,在出错时,这个函数返回一个负值。
  • read()函数用来从设备中读取数据,成功时函数返回读取的字节数,出错时返回一个负值。
  • write()函数向设备发送数据,成功时该函数返回写入的字节数。
  • read()和write()如果返回0,则暗示end-of-file(EOF)
  • unlocked_ioctl()提供设备相关控制命令的实现(既不是读操作,也不是写操作),当调用成功时,返回给调用程序一个非负值。
  • mmap()函数将设备内存映射到进程的虚拟地址空间中,如果设备驱动未实现此函数,用户进行mmap()系统调用时将获得-ENODEV返回值。
  • 当用户空间调用Linux API函数open()打开设备文件时,设备驱动的open()函数最终被调用。驱动程序可以不实现这个函数,在这种情况下,设备的打开操作永远成功。与open()对应的是release()函数。
  • poll()函数一般用于询问设备是否可被非阻塞地立即读写。当询问的条件未触发时,用户空间进行select()和poll()系统调用将引起进程的阻塞。
  • aio_read()和aio_write()函数分别对与文件描述符对应的设备进行异步读、写操作。

1.4 字符设备驱动的组成

1.4.1 字符设备驱动模块加载与卸载函数

在字符设备驱动模块加载函数中应该实现设备号的申请和cdev的注册,而在卸载函数中应实现设备号的释放和cdev的注销。
Linux内核的编码习惯是为设备定义一个设备相关的结构体,该结构体包含设备所涉及的cdev、私有数据及锁等信息。

1.4.2 字符设备驱动的file_operations结构体中成员函数

file_operations结构体中的成员函数是字符设备驱动与内核虚拟文件系统的结口,是用户空间对Linux进行系统调用最终的落实者。大多数字符设备会实现read()、write()和ioctl()函数。
由于用户空间不能直接访问内核空间的内存,因此借助了函数copy_from_user()完成用户空间缓冲区到内核空间的复制,以及copy_to_user()完成内核空间到用户空间缓冲区的复制。
以上函数均返回不能被复制的字节数,因此,如果完全复制成功,返回值为0.如果复制失败,则返回负值。
如果复制的内存是简单类型,如char、int、long等,则可以使用简单的put_user()和get_user()